DE4138309C2 - By the action of electromagnetic radiation crosslinkable plastic material - Google Patents
By the action of electromagnetic radiation crosslinkable plastic materialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung vernetzbares bzw. härtbares Kunststoffmaterial zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels Stereographie sowie die Herstellung dieses Kunststoffmaterials.The invention relates to an electromagnetic effect Radiation crosslinkable or curable plastic material for producing a three-dimensional object by means of Stereographie as well as the production of this plastic material.
Bei dem unter der Bezeichnung "Stereographie" oder "Stereo lithographie" bekannten Verfahren wird ein dreidimensionales Objekt schichtweise durch Aufbringen und anschließendes Verfestigen aufeinanderfolgender Schichten eines zunächst flüssigen Materials hergestellt. Die Verfestigung erfolgt da bei vorzugsweise durch einen gebündelten Lichtstrahl in Form eines Lasers oder dgl., der an die dem Objekt entsprechenden Stellen der Schicht gerichtet wird und dort die Verfestigung des Materials bewirkt. Das Material muß also durch Lichtein wirkung bzw. allgemein durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung verfestigbar sein.Under the name "stereography" or "stereo lithography "known method becomes a three-dimensional Object layer by application and subsequent Solidifying successive layers of an initially made of liquid material. The consolidation takes place there at preferably by a bundled light beam in the form a laser or the like, corresponding to the object corresponding to the object Make the layer is directed and there the solidification causes the material. The material must therefore by Lichtein effect or generally by the action of electromagnetic Radiation be solidified.
Üblicherweise wird für das Material ein bei Normalbedingungen flüssiger, monomerer oder oligomerer Kunststoff verwendet, dessen Verfestigung bei Lichteinwirkung durch Polymerisation erfolgt. Derartige Stoffgemische sind handelsüblich. Andere Materialien sind in der EP 03 78 144 A2 beschrieben. Usually, the material will be at normal conditions liquid, monomeric or oligomeric plastic used, its solidification when exposed to light by polymerization he follows. Such mixtures are commercially available. Other materials are described in EP 03 78 144 A2.
Aus der DE 29 17 483 A1 ist ein photoempfindliches Aufzeichnungsmaterial zur Verwendung in der Drucktechnik bekannt, das sowohl ein difunktionelles Monomeres, ein funktionelles aliphatisches Urethan als auch einen Photoinitiator enthält. Ferner ist aus der DE 26 11 577 A1 ein derartiges Aufzeichnungsmaterial mit einem Karbonat als Monomeres bekannt.From DE 29 17 483 A1 is a photosensitive recording material known for use in printing, the both a difunctional monomer, a functional one aliphatic urethane as well as a photoinitiator. Furthermore, from DE 26 11 577 A1 such a recording material with a carbonate known as monomer.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kunststoff material der obengenannten Art zu schaffen, das die Anforde rungen, die das Stereografie-Verfahren an ein solches Mate rial stellt, bei günstigen Kosten erfüllt. Insbesondere sol len günstige Eigenschaften für die mechanische Weiterver arbeitung der Modelle nach der Aushärtung erreicht werden.It is an object of the present invention to provide a plastic material of the above type to create that the requirement ments that the stereography method attaches to such a mate rial provides, met at reasonable cost. In particular sol len favorable properties for mechanical Weiterver processing of the models can be achieved after curing.
Folgende Anforderungen sind an das Material zu stellen:The following requirements apply to the material:
- 1. die Viskosität muß in einem bestimmten Bereich liegen; ist sie zu hoch, kann die flüssige Schicht nicht schnell und gleichmäßig genug aufgetragen werden; ist sie zu niedrig, ist die Volumenänderung bei der Verfestigung und damit die Verformung des Objekts zu groß; generell sollte die Viskosität unter 6 Pa·s liegen;1. the viscosity must be within a certain range; if it is too high, the liquid layer can not be fast and applied evenly enough; is she too low, is the volume change during solidification and thus the deformation of the object too large; As a general rule the viscosity should be below 6 Pa · s;
- 2. Die Verformung des Objekts aufgrund der Dichteänderung bei der Polymerisation muß möglichst gering sein; die Schrumpfung der Kunststoffmaterials bei der Polymerisa tion sollte unter etwa 6% liegen;2. The deformation of the object due to the density change in the polymerization must be as low as possible; the Shrinkage of the plastic material in the Polymerisa tion should be below about 6%;
- 3. Die Sensitivität gegenüber der Bestrahlung sollte mög lichst hoch sein, damit eine möglichst schnelle weitge hende Polymerisation bei relativ geringer Strahlungs energie - und damit eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit - erreicht wird und ferner die Gefahr weiterer Verformun gen vor und bei der meistens erforderlichen Nachhärtung des Objekts mittels UV-Bestrahlung möglichst gering ist;3. The sensitivity to radiation should be possible be as high as possible, so that the fastest possible weitge Hende polymerization at relatively low radiation energy - and thus a high operating speed - is reached and also the risk of further deformations conditions before and at the usually required post-curing of the object by UV irradiation as low as possible is;
- 4. Gute mechanische Eigenschaften nach der Polymerisation (hohe Bruch- bzw. Reißdehnung, geringe Stoßempfindlich keit bzw. Sprödigkeit, elastische Eigenschaften), so daß auch eine spanabhebende Weiterverarbeitung möglich ist.4. Good mechanical properties after polymerization (high breaking and elongation at break, low impact sensitivity or brittleness, elastic properties), so that Also a machining is possible.
Die Lösung der genannten Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einem Kunststoffmaterial mit den in Anspruch 1 genannten Be standteilen.The solution of the stated object consists according to the invention in a plastic material having the Be mentioned in claim 1 stood share.
Dabei ergeben sich die Eigenschaften des polymerisierten Ma terials aus den Eigenschaften der polymerisierten Bestand teile. Das Polykarbonat verbindet die guten Eigenschaften von Leichtmetall, Glas und Kunststoff wie geringe Stoßempfindlichkeit, Lichtdurchlässigkeit, Biegefestigkeit, Dimensions stabilität und Temperaturfestigkeit. Das Polyurethan bewirkt eine gute Flexibilität, Reaktionsfähigkeit, Härte, Adhäsions eigenschaft und chemische Stabilität.This results in the properties of the polymerized Ma terials from the properties of the polymerized stock parts. The polycarbonate combines the good qualities of Light metal, glass and plastic such as low impact sensitivity, Translucence, flexural strength, dimensions stability and temperature resistance. The polyurethane causes good flexibility, responsiveness, hardness, adhesion property and chemical stability.
Vorzugsweise wird ein Karbonat nach der Formel (I)Preferably, a carbonate of the formula (I)
und ein oligomeres Urethan nach der Formel (II)and an oligomeric urethane of the formula (II)
verwendet, wobei R, R1und R2 jeweils Alkylgruppen darstel len. Beispielsweise wird für R1 und R2 jeweils eine Gruppe mit der Formelused, wherein R, R 1 and R 2 each represent alkyl groups. For example, for R 1 and R 2 each is a group having the formula
verwendet, wobei R ein Alkoyl-Radikal oder Wasserstoffatom darstellt.where R is an alkoyl radical or hydrogen atom represents.
Ein Karbonat mit der Formel (I) besitzt eine sehr geringe Viskosität von 0,2 Pa·s bei 25°C. Ein aliphatisches Urethan mit der Formel (II) ist bei 25°C pastenförmig.A carbonate with the formula (I) owns a lot low viscosity of 0.2 Pa · s at 25 ° C. An aliphatic one Urethane having the formula (II) is at 25 ° C pasty.
Damit die Viskosität im gewünschten Bereich liegt, sollte der Massenanteil des Karbonats mindestens 50% betragen; in diesem Fall liegt die Viskosität unter 6 Pa·s bei Temperaturen von 20°C und darüber; vorzugsweise ist dieser Anteil nicht größer als 70%, da sonst die Verformung des Objekts zu groß wird. Besonders bevorzugt ist ein Karbonatanteil von etwa 60%.So that the viscosity is within the desired range, the Mass fraction of the carbonate amount to at least 50%; in this Case, the viscosity is below 6 Pa · s at temperatures of 20 ° C and above; Preferably, this proportion is not greater than 70%, otherwise the deformation of the object becomes too large. Particularly preferred is a carbonate content of about 60%.
Der Massenanteil des Urethans liegt vorzugsweise zwischen 20% und 50%, besonders bevorzugt bei etwa 40%; damit ergibt sich gegenüber dem handelsüblichen Material ein wesentlich verringerter E-Modul bzw. Young-Modulus und somit eine stark verbesserte Bruch- bzw. Reißdehnung.The mass fraction of urethane is preferably between 20% and 50%, more preferably about 40%; this results compared to the commercial material a much reduced E modulus or Young modulus and thus a greatly improved Breakage or elongation at break.
Als Photoinitiator sind alle Stoffe geeignet, die unter Ein fluß der zur Polymerisation verwendeten Strahlung freie Radi kale bilden. Vorzugsweise wird ein Acetophenon, besonders be vorzugt Dimethoxyphenylacetophenon (DMPA) verwendet. Bei Verwendung eines Helium-Cadmium-Lasers wird vorzugsweise ein Initiator verwendet, der eine Mischung aus gleichen Mas senanteilen von 1-hydroxy-cyclohexyl-phenylketon und Benzophenon darstellt. Bei Verwendung eines Argonlasers wird vorzugsweise 2,2-Dimethoxy-1,2-diphenylethan-1-one oder 2-2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon verwendet.As photoinitiator, all substances are suitable, which are under Ein flow of the radiation used for the polymerization free Radi form kale. Preferably, an acetophenone, be particularly Preferably dimethoxyphenylacetophenone (DMPA) is used. at Use of a helium-cadmium laser is preferably one Initiator that uses a mixture of the same Mas sen proportions of 1-hydroxy-cyclohexyl phenyl ketone and Benzophenone represents. When using an argon laser is preferably 2,2-dimethoxy-1,2-diphenylethane-1-one or 2-2-dimethoxy-2-phenylacetophenone used.
Es wurde festgestellt, daß die optimale Konzentration des Photoinitiators, d. h. die Konzentration, bei der in möglichst kurzer Bestrahlungszeit eine möglichst weitgehende Polymerisation bzw. eine möglichst hohe Produktfestigkeit und Eindringtiefe der Polymerisation erreicht wird, von der Wel lenlänge der Strahlungsquelle abhängt. Der bevorzugte Konzen trationsbereich wurde allgemein mit 1 bis 5 Massen-% DMPA bzw. des Photoinitiators ermittelt. Im Sinne der Erfindung optimal wurde für einen Argonlaser als Strahlungsquelle eine Konzentration von 1,5 bis 2,5 Massen-%, besonders bevorzugt etwa 2 Massen-%, und für einen Helium-Cadmium-Laser als Strahlungsquelle eine Konzentration von 2,5 bis 3,5 Massen-%, besonders bevorzugt etwa 3 Massen-% ermittelt. Je nach ge wünschter Polymerisationstiefe kann dabei ein etwas höherer oder niedrigerer Wert gewählt werden.It was found that the optimal concentration of the Photoinitiators, d. H. the concentration in which as possible short exposure time as far as possible Polymerization or the highest possible product strength and Penetration of the polymerization is achieved by Wel wavelength of the radiation source depends. The preferred concentrate tion range was generally 1 to 5% by mass DMPA or the photoinitiator determined. Within the meaning of the invention was optimal for an argon laser as a radiation source a Concentration of 1.5 to 2.5 mass%, more preferred about 2% by mass, and for a helium-cadmium laser as Radiation source a concentration of 2.5 to 3.5 mass%, most preferably about 3 mass% determined. Depending on ge desired polymerization depth can be a little higher or lower value.
Zur Beeinflussung der Eigenschaften des fertigen Objekts kön nen erfindungsgemäß zwei weitere Stoffe zugesetzt werden. Hierbei handelt es sich zum einen um Acrylate, beispielsweise Diacrylat 101, und um Silanverbindungen nach der Formel (IV)To influence the properties of the finished object kön According to the invention, two further substances are added. These are on the one hand acrylates, for example, diacrylate 101, and silane compounds of the formula (IV)
SiR₁R₂R₃R₄ oder Si₂R₁R₂R₃R₄R₅R₆ (IV)SiR₁R₂R₃R₄ or Si₂R₁R₂R₃R₄R₅R₆ (IV)
beispielsweise Ebceryl,
wobei die mit R1 bis R6 gekennzeichneten Gruppen jeweils Was
serstoffatome (H), Chloratome (Cl), Hydroxygruppen (OH) oder
Vinylgruppen (-CH=CH2) darstellen können. Ein geeignetes
Diacrylat ist beispielsweise a di-ethoxyliertes Bisphenol
A-Dimethacrylate nach der Formelfor example, ebceryl,
wherein the groups denoted by R 1 to R 6 each may represent hydrogen atoms (H), chlorine atoms (Cl), hydroxy groups (OH) or vinyl groups (-CH = CH 2 ). A suitable diacrylate is, for example, a di-ethoxylated bisphenol A dimethacrylate of the formula
Die Acrylate bewirken eine Verbesserung der optischen Eigen schaften und der Alterungsbeständigkeit. Insbesondere führen sie jedoch auch zu einer größeren Härte und geringeren Bruch- bzw. Reißdehnung des Objekts. Beispielsweise führt ein Mas senanteil von 10% eines Diacrylates mit der Bezeichnung Bisphenol A zu einer auf die Hälfte reduzierten Bruchdehnung. Ein Zusatz des Acrylats ist also dann günstig, wenn eine grö ßere Härte und Sprödigkeit erreicht werden soll. The acrylates cause an improvement of the optical properties and aging resistance. In particular lead However, they also to a greater hardness and lower fracture or Elongation at break of the object. For example, a Mas 10% of a diacrylate called Bisphenol A to a reduced to half the elongation at break. An addition of the acrylate is so low, if a grö ßere hardness and brittleness to be achieved.
Die Silanverbindungen stellen eine große Gruppe von chemi schen Verbindungen dar, deren Moleküle durch Siliziumatome gebildet sind, auf denen abwechselnd mit Sauerstoffatomen Kohlenstoffradikale implantiert sind. Diese Fluide haben eine sehr geringe Oberflächenspannung (ungefähr 20 dyn/cm), die für ihre schaumverhindernden und benetzenden Eigenschaf ten verantwortlich ist. Diese Eigenschaften können erfindungs gemäß vorteilhaft genutzt werden.The silane compounds constitute a large group of chemi compounds whose molecules are represented by silicon atoms are formed on which alternately with oxygen atoms Carbon radicals are implanted. These fluids have a very low surface tension (about 20 dynes / cm), those for their antifoaming and wetting properties responsible. These properties can fiction be used advantageously according to.
Wird nämlich eine Schicht flüssigen Kunststoffs dadurch auf getragen, daß das Objekt in einem Bad aus dem flüssigen Kunststoff abgesenkt wird, dann besteht die Gefahr des Ein schlusses von Luftblasen. Bereits ein Zusatz von 1 bis 3 Massen-% einer Silanverbindung nach der Formel (IV) zu dem flüssigen Kunststoff kann diese Gefahr aufgrund der damit verringerten Oberflächenspannung erheblich reduzieren. Ferner fließt das flüssige Kunststoffmaterial leichter über die ab gesenkte Oberfläche, so daß die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht wird.Namely, a layer of liquid plastic thereby worn that the object in a bath from the liquid Plastic is lowered, then there is a risk of one conclusion of bubbles. Already an addition of 1 to 3 Mass% of a silane compound of the formula (IV) to the Liquid plastic can cause this hazard due to it significantly reduce reduced surface tension. Further The liquid plastic material flows more easily over the lowered surface, so that the working speed increases becomes.
Für die Massenanteile der obengenannten Stoffe wurden folgende günstige Bereiche ermittelt:For the mass fractions of the above-mentioned substances, the following became determined favorable areas:
Karbonat: mindestens 50%
Urethan: zwischen 20% und 50%;
Diacrylat: zwischen 0% und 30%
Silan: zwischen 0% und 3%.Carbonate: at least 50%
Urethane: between 20% and 50%;
Diacrylate: between 0% and 30%
Silane: between 0% and 3%.
Besonders bevorzugt ist ein Kunststoffmaterial bestehend aus 60 Teilen Karbonat, 40 Teilen Urethan, 1 bis 3 Teilen Ebceryl je nach Arbeitstemperatur und entweder 2 Teilen DMPA (Photoinitiator) bei Verwendung eines Argonlasers oder 3 Teilen DMPA bei Verwendung eines Helium-Cadmium-Lasers. Ein derartiges Kunststoffmaterial be sitzt mechanische Eigenschaften, die in ihrer Summe für die Weiterverarbeitung des Objekts nach der Laserhärtung optimiert sind. Particularly preferred is a plastic material consisting of 60 parts carbonate, 40 parts urethane, 1 to 3 parts ebceryl depending on working temperature and either 2 parts DMPA (photoinitiator) using a Argon lasers or 3 parts DMPA using a Helium-cadmium laser. Such a plastic material be sits mechanical properties, which in their sum for the Further processing of the object after laser hardening are optimized.
Alle Produkte sind unter den angegebenen Bezeichnungen auf dem Markt erhältlich. Andere Stabilisatoren als diejenigen, die sich bereits in diesen Produkten befinden (z. B. Hydroquinon), sind nicht erforderlich.All products are under the indicated designations available on the market. Other stabilizers than those that are already in these products (eg Hydroquinone), are not required.
Die erfindungsgemäße Kunststoffverbindung wird hergestellt, indem zunächst das Urethan (Formel II) bis maximal 60°C, vor zugsweise etwa auf 50°C, erwärmt wird und dann das Karbonat (Formel I) unter gleichzeitigem Rühren hinzugefügt wird. An schließend werden gegebenenfalls die Zusätze, Acrylat und/oder Silikon, und schließlich der Photoinitiator hinzu gegeben. Stellt man das o.a. besonders bevorzugte Material auf diese Weise her, so ergeben sich folgende Eigenschaften:The plastic compound according to the invention is produced, by first adding the urethane (formula II) to a maximum of 60 ° C, before Preferably at about 50 ° C, is heated and then the carbonate (Formula I) is added with simultaneous stirring. to If necessary, the additives, acrylate and / or silicone, and finally the photoinitiator given. If you put the o.a. particularly preferred material this way, the following properties result:
Ein Stereographie-Verfahren, bei dem das beschriebene Kunst stoffmaterial erfindungsgemäß eingesetzt werden soll, ist beispielsweise in Kodama, Rev. Sci. Instr. 52 (11), Seiten 1170 bis 1173 (1981) beschrieben.A stereography method in which the described art fabric material to be used according to the invention is for example in Kodama, Rev. Sci. Instr. 52 (11), pages 1170-1173 (1981).
Claims (13)
- a) mindestens 50 Massen-% eines monomeren oder oligomeren difunktionellen Karbonats;
- b) ein monomeres oder oligomeres, mono-, di- oder polyfunktionelles aliphatisches Urethan; und
- c) einen Photoinitiator.
- a) at least 50% by mass of a monomeric or oligomeric difunctional carbonate;
- b) a monomeric or oligomeric mono-, di- or polyfunctional aliphatic urethane; and
- c) a photoinitiator.
60 Massenteile Karbonat;
40 Massenteile Urethan;
1-3 Massenteile der Silanverbindung; und
2 bis 3 Massenteile Photoinitiator. 9. Plastic material according to claim 8, characterized by the following composition:
60 parts by mass carbonate;
40 parts by mass of urethane;
1-3 parts by mass of the silane compound; and
2 to 3 parts by mass of photoinitiator.
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